一种空间旋转系绳系统的地面半实物仿真试验装置的制作方法

本发明涉及空间宇航科学控制仿真技术，具体地说，涉及一种空间旋转系绳系统的地面半实物仿真试验装置。

背景技术：

作为新的航天技术，空间系绳系统以其可重复利用性和经济性在卫星变轨、清除空间碎片、空间载荷传输诸多领域有着广泛的应用前景。在世界各国积极开展大规模深空探测的背景下，利用空间旋转系绳系统实现无、低燃料大规模载荷深空传输日益受到广泛关注。相比于传统化学推进剂，使用空间系绳系统进行载荷传输主要是利用电动力、动量交换原理等方式通过空间系绳系统来对载荷进行变轨机动或空间传输，其运输成本和负载能力相比于传统火箭都有较大优势。动量交换系绳系统的原理为:空间系绳系统的主星和子星处于不同的轨道高度上，位于轨道下方的子星轨道运行速率小于质心轨道运行速率，而上方的主星则小于质心圆轨道运行速率。分离时，主星和子星之间由于上述的速率差将会分别进入更低或更高的轨道，从而产生动量交换。如果分离时主星或子星的初始速率足够高/低，将能够进入期望的轨道。与其它方式相比，基于动量交换原理的空间旋转系绳系统对系绳的强度要求不高，也不依靠电动力提供动力源，其灵活性和可实现性都相对较好。通过理论计算，使用旋转系绳系统进行载荷传输理论上能够将载荷投送至任意轨道，结合可回收飞行器和传统火箭技术，旋转系绳系统可实现包括载荷深空传输、载荷变轨、航天器对接、空间碎片捕获及再入等多种任务，并且不消耗或消耗极少的燃料，甚至能够将载荷传输至深空，实现星际载荷传输。

在载荷传输任务中，空间旋转系绳系统中的角速率控制是将载荷捕获并投送入期望轨道，以实现深空传输任务的关键；但是由于该技术的特殊性和专业性，在空间中进行试验的成本极其高昂，因此，利用将控制器与在计算机上实现的控制对象的仿真模型连接在一起进行试验的半实物仿真技术，在这种试验中，控制器的动态特性、静态特性和非线性因素等都能真实地反映出来，是一种更接近实际的仿真试验技术。

技术实现要素：

为避免现有技术存在的不足,本发明提出一种空间旋转系绳系统的地面半实物仿真试验装置；该半实物仿真试验装置结合相关软件，真实地模拟空间旋转系绳系统，实现对空间中的旋转系绳系统进行半实物仿真，极大地降低实验的成本，缩短了实验的周期；该装置更好地反应真实系统中的非线性特性、控制迟滞和系统惯性的特性，其更接近于真实系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括支撑架、轴承、轴承架、面内角测量传感器、面外角测量传感器、旋转轴、轻质杆、控制系统、气动伺服系统、面内角控制喷口、面外角控制喷口、面内角和面外角模拟机构，其中，支撑架、轴承、面内角和面外角模拟机构组成框架结构，整体框架通过支撑架固定在实验平台上；

所述支撑架为两个结构相同的部件，轴承架位于支撑架的上端部且与支撑架为一体结构，轴承与轴承架配合安装，旋转轴与面外角模拟机构连接，旋转轴两端分别穿过两个轴承架上轴承并连接，且可旋转至任意角度，旋转的角度为系统模拟的面内角，该角度通过面内角测量传感器测量，面内角测量传感器位于轴承架上；控制系统和气动伺服系统分别依靠其各自的质量来模拟主星和子星；控制系统用于控制气动伺服系统，气动伺服系统由储存高压气体的气瓶、电磁阀、气路和喷口组成，通过面内角控制喷口和面外角控制喷口喷出高压气瓶内的气体，用来对系统产生外力；控制系统通过控制电磁阀来控制面内角控制喷口和面外角控制喷口的开闭时间，通过配平气动伺服系统和控制系统的质量来抵消所受重力；所述轻质杆与面外角模拟机构连接，主星和子星由用来模拟系绳轻质杆连接，该轻质杆连接在面内角和面外角模拟机构上，使得系统可产生类似于真实空间系绳系统的面内角和面外角。

所述面外角模拟机构可绕旋转轴旋转，还可绕面外角模拟机构左右摆动，面内角和面外角分别通过面内角测量传感器和面外角测量传感器进行测量，并反馈至控制系统。

有益效果

本发明提出的一种空间旋转系绳系统的地面半实物仿真试验装置；涉及空间系绳系统的数学建模、控制律设计、实验平台机械结构设计多种技术。由支架、轴承、面内角和面外角模拟机构组成的框架结构，整体框架通过支撑架固定在实验平台上；在其框架结构上安装有用来模拟系统所受力的气动伺服系统和控制系统，且利用两个系统的质量来模拟主星和子星。主星和子星由用来模拟系绳的轻质刚杆连接，轻质杆连接在面内角和面外角模拟机构上，使得系统可产生类似于真实空间系绳系统的面内角和面外角。在支架和面内角、面外角模拟机构上安装有自行设计的，利用编码器进行角度测量的电子测量系统，用于测量半实物仿真平台的实时参数。

本发明空间旋转系绳系统的地面半实物仿真试验装置，可缩短试验的周期，便于多次开展试验，有利于降低试验的费用和时间。与单纯利用数学模型进行数字仿真的试验，该系统能更好地反应真实系统中的非线性特性、控制迟滞和系统惯性，更接近于真实系统。该试验装置在结合现有的数字仿真软件后，可和现有的数学模型进行互补与修正，将数字仿真试验结果和该装置的半实物仿真结果进行联合分析，有助于在控制试验正本，增加试验次数的前提下逼近真实系统，可提高控制律的稳定性和准确性，为后期开展空间实验和空间任务提供有利基础。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种空间旋转系绳系统的地面半实物仿真试验装置作进一步详细说明。

图1为本发明空间旋转系绳系统的地面半实物仿真试验装置示意图。

图2为本发明地面半实物仿真试验装置的面内角模拟机构示意图。

图3为本发明地面半实物仿真试验装置的面外角模拟机构示意图。

图4为本发明地面半实物仿真试验装置的控制流程图。

图5为本发明地面半实物仿真试验装置的面外角数字仿真效果曲线图。

图6为本发明地面半实物仿真试验装置的面内角数字仿真效果曲线图。

图中:

1.支撑架2.轴承3.轴承架4.面内角测量传感器5.面外角测量传感器6.旋转轴7.轻质杆8.控制系统9.气动伺服系统10.面内角控制喷口11.面外角控制喷口12.面外角模拟机构

13.数字模拟仿真中施加控制的面外角变化曲线

14.数字模拟仿真中未施加控制的面外角变化曲线

15.数字模拟仿真中包含干扰的面外角控制力曲线

16.数字模拟仿真中完成任务需要的标称能量

17.数字模拟仿真中实际的系统能量

18.数字仿真模拟中包含干扰的面内角控制力曲线

具体实施方式

本实施例是一种空间旋转系绳系统的地面半实物仿真试验装置。

参阅图1～图4所示，本实施例空间旋转系绳系统的地面半实物仿真试验装置,由支撑架1、轴承2、轴承架3、面内角测量传感器4、面外角测量传感器5、旋转轴6、轻质杆7、控制系统8、气动伺服系统9、面内角控制喷口10、面外角控制喷口11和面外角模拟机构12组成；其中，支撑架1、轴承2、面内角和面外角模拟机构12组成框架结构，整体框架通过支撑架1固定在实验平台上。

支撑架1为两个结构相同的部件，支撑架上端部固定有轴承架3，轴承2与轴承架3配合安装，旋转轴6与面外角模拟机构12连接，旋转轴6两端分别穿过两个轴承架3上轴承2并连接，可旋转至任意角度，旋转的角度为系统模拟的面内角，该角度通过面内角测量传感器4测量，面内角测量传感器4位于轴承架3上；控制系统8和气动伺服系统分别依靠其各自的质量来模拟主星和子星；控制系统8用于控制气动伺服系统9，两个系统分别安装在轻质杆的两端。气动伺服系统9由储存高压气体的气瓶、电磁阀、气路和喷口组成，通过面内角控制喷口10和面外角控制喷口11喷出高压气瓶内的气体，用来对系统产生外力；控制系统8通过控制电磁阀来控制面内角控制喷口10和面外角控制喷口11的开闭时间，通过配平气动伺服系统和控制系统的质量来抵消所受重力。控制系统8内设有两套控制律，第一套控制律用来模拟系绳系统在空间中所受的万有引力、大气阻力；第二套控制系统为针对空间旋转系绳系统完成指定任务所设计的控制律。两套控制律通过控制系统耦合在一起，并通过面内角控制喷口10和面外角控制喷口11同时作用。轻质杆7与面外角模拟机构12连接，主星和子星由用来模拟系绳轻质杆连接，该轻质杆连接在面内角和面外角模拟机构上，使得系统可产生类似于真实空间系绳系统的面内角和面外角。

本实施例中，面外角模拟机构可绕旋转轴6旋转，还可绕面外角模拟机构12进行左右摆动，面内角和面外角分别通过面内角测量传感器4和面外角测量传感器5进行测量，并反馈至控制系统8。

本实施例地面半实物仿真试验装置的控制流程:

首先对系统进行数学建模和搭建半实物仿真装置，然后在数学模型的基础上设计控制律，并进行数值仿真，验证控制律是否可以满足要求，若控制律不满足要求，则对控制律进行修正。若控制律满足要求，则将对数学模型的控制律进行对于试验台的修正，并将该控制律转化为c语言，然后烧录至试验台的控制系统，然后进行试验。在试验得到结果后，将半实物仿真的实验结果和数值仿真的实验结果进行对比，分析实验的可靠程度，在确定半实物仿真装置进行的试验和数值仿真结果一致后，则可对控制律进行进一步的修正，获得更好的控制律。通过该方式，可较好地体现出数值仿真所不能表现真实系统的非线性、系统迟滞以及惯性特征。

参阅图5、图6，可以看出在施加干扰的情况下仍然可将系统的能量在一定的时间内通过控制达到标称能量，对面外角的抑制效果较好，并且在控制过程中考虑到控制机构所能达到的最大推力的限制。通过已完成的数值仿真效果显示，系统的数学模型较为精确，且控制律满足数值仿真的精度要求。

本实施例中,提出的空间旋转系绳系统的地面仿真实验装置可弥补单纯利用数值仿真进行试验的不足，且成本低，试验周期短，适合在工程设计的前期基础性试验。